Новое исследование подкрепляет доказательства существования темной материи

Наблюдая за скоплениями галактик, удаленными друг от друга на сотни миллионов световых лет, астрофизики выяснили, что законы гравитации, сформулированные Ньютоном и Эйнштейном, остаются в силе, что практически не оставляет сомнений в существовании невидимой темной материи.

Об этом сообщают в Пенсильванском университете, передают OstanniPodii.com.

Гравитация, как ее понимает большинство людей, — это та знакомая сила, которая притягивает к Земле падающее яблоко. Но для астрономов и физиков-теоретиков это также загадочный невидимый архитектор, который определяет форму и эволюцию крупнейших космических структур во всей Вселенной.

На протяжении десятилетий загадочные наблюдения за чрезвычайно быстро движущимися галактиками заставляли космологов пересматривать основы физики, исследуя, например, действительно ли законы гравитации, описанные Исааком Ньютоном и Альбертом Эйнштейном, действуют повсеместно.

«Астрофизика страдает от огромного дисбаланса в космическом равновесии», — говорит ведущий автор нового исследования Патрисио Галлардо из Пенсильванского университета.

«Когда мы смотрим на то, как звезды вращаются в галактиках или как галактики движутся в галактических скоплениях, некоторые из них, кажется, движутся слишком быстро, учитывая количество видимой материи, которую они содержат».

Это несоответствие заставляет выбирать между двумя радикальными выводами, объясняет он. Либо Вселенная содержит скопления массивной невидимой «темной материи», которая обеспечивает дополнительную гравитационную силу, либо «основные уравнения гравитации нужно модифицировать».

Теперь, используя наблюдения с Атакамского космологического телескопа (ACT) — телескопа высотой примерно в три-четыре этажа, Галлардо и его коллеги проверили гравитацию в галактических скоплениях, удаленных друг от друга на сотни миллионов световых лет — это самое масштабное исследование гравитации на сегодняшний день.

Результаты их исследования, опубликованные в журнале «Physical Review Letters», показывают, что сила притяжения ослабевает с расстоянием почти точно так, как это предсказывают уравнения, разработанные Ньютоном и впоследствии включенные в теорию общей относительности Эйнштейна.

«Впечатляет то, что закон обратнопропорциональной квадратичной зависимости — предложенный Ньютоном в XVII веке, а затем включенный в теорию общей относительности Эйнштейна — до сих пор остается актуальным в XXI веке», — отмечает Галлардо.

Подтверждение того, что гравитация ведет себя так, как предсказывает устоявшаяся теория, на огромных внегалактических расстояниях, укрепляет фундаментальный столп современной науки, объясняет Галлардо: стандартную модель космологии. Показав, что фундаментальные теории гравитации не рушатся на самых больших масштабах, данные фактически закрывают дверь для группы теорий, таких как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которые пытаются объяснить космические движения путем модификации законов гравитации.

Когда Ньютон предложил закон обратнопропорциональной квадратичной зависимости, утверждающий, что сила притяжения ослабевает пропорционально квадрату расстояния между объектами, он прежде всего стремился описать движения объектов в Солнечной системе. Этот же принцип теперь проверен на массах и расстояниях, которые были «немыслимыми во времена Ньютона», — говорит Галлардо.

Понимание «ограничений скорости» Вселенной

Галактики Вселенной — которых насчитывается более 200 миллиардов — не движутся так, как это предсказывает одна только гравитация.

Согласно ньютоновской логике, звезды, расположенные дальше от центра галактики, должны вращаться медленнее. Вместо этого астрономы наблюдают обратное. Самые удаленные области движутся гораздо быстрее, чем это можно объяснить видимой материей. Такое же несоответствие наблюдается в скоплениях галактик, где целые галактики движутся слишком быстро для своей массы.

«Вот в чем заключается главная загадка, — объясняет Галлардо. — Либо гравитация ведет себя иначе в очень больших масштабах, либо Вселенная содержит дополнительную материю, которую мы не можем увидеть напрямую».

Проверка гравитации в космосе

Чтобы проверить это, исследователи обратились к наблюдениям телескопа ACT за светом, излученным примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, который с тех пор путешествует по Вселенной и известен как космическое микроволновое фоновое излучение.

Когда этот древний свет проходит через массивные скопления галактик, он несколько изменяется под воздействием их движения, оставляя слабые следы, которые астрономы могут обнаружить. Анализируя эти искажения и измеряя эти движения в сотнях тысяч скоплений, удаленных друг от друга на десятки миллионов световых лет, исследователи определили, с какой силой гравитация влияет на крупнейшие структуры в космосе. Если бы модифицированные теории гравитации, такие как MOND, были верны, измерения показали бы более плавное уменьшение гравитации.

Вместо этого результаты почти точно совпали с теориями Ньютона и Эйнштейна.

Исследователи отмечают: поскольку это предсказание сбывается, проблему недостатка массы нельзя объяснить изменением самой гравитации, что подкрепляет гипотезу о том, что дополнительную силу притяжения оказывает невидимая составляющая — темная материя.

Загадка темной материи

Понимание того, что на самом деле представляет собой темная материя, остается одним из самых больших вызовов современной физики.

«Это исследование подкрепляет доказательства того, что Вселенная содержит компонент темной материи», — говорит Галлардо. «Но мы до сих пор не знаем, из чего состоит этот компонент».

Будущие наблюдения за реликтовым излучением и более масштабные обзоры галактик позволят физикам и астрономам проверять гравитацию еще точнее.

«С таким количеством нерешенных вопросов гравитация остается одной из самых интересных областей исследований. Это естественно привлекательная сфера», — улыбается Галлардо.

Всего в этом исследовании приняли участие более 40 ученых, представляющих научные учреждения из разных стран.

• Темная материя